專利名稱：可掃描稀疏天線陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有稀疏天線設(shè)計(jì)的天線陣列，還提供一種使用減少的柵格瓣進(jìn)行的掃描。
背景技術(shù)：
對于區(qū)域覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)的容量日益增長的需求可以通過引入陣列天線來解決。這些天線是可以在方位面內(nèi)創(chuàng)建一個或多個窄波束的輻射元件的陣列。窄波束指向或選擇朝向所關(guān)心的客戶，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的干擾并且由此增加容量。在美國專利No.6,509,881中公開了一種交錯的(interleave)單孔徑同步Rx/Tx天線。
借助于連接到天線列的Butler矩陣，可以在方位面內(nèi)產(chǎn)生許多同時固定掃描的波束。由于必許考慮因相位重復(fù)的建設(shè)性的增加而導(dǎo)致的干擾瓣(也稱作柵格瓣)的產(chǎn)生，天線元件的間距由最大掃描角度確定。為了掃描相位陣列天線，元件位置必須足夠小以避免柵格瓣。對于1λ的元件間距，柵格瓣將出現(xiàn)在可見空間的邊緣(非掃描條件下)。然后，如果波束被偏離瞄準(zhǔn)線掃描，柵格波束將移動至可見空間。
因此，設(shè)計(jì)天線的問題是陣列天線中的輻射元件的間距不得不小于一倍波長，以防止產(chǎn)生討厭的格柵(次級)瓣，并且在掃描波束的情況中，間距還要進(jìn)一步減小。在極端情況中，當(dāng)主波束被掃描到非常大的角度時(如在移動通信基站的自適應(yīng)天線的情況中)，元件間距需要減小到半波長或更小，以避免在可見空間產(chǎn)生柵格瓣。因此，可以確立一般規(guī)則，即具有固定瓣的天線陣列通常應(yīng)該具有小于1波長的元件間距，而具有可掃描瓣的天線陣列通常應(yīng)該具有小于半波長的元件距離，以獲得合適的掃描角度范圍。
如在美國專利No.6,351,243中公開的，在陣列天線中的輻射元件通常設(shè)置成如圖1所示的規(guī)則矩形柵格。元件間距沿x軸表示為dx，沿y軸表示為dy。通過從元件空間轉(zhuǎn)換到波束空間，可以找到波束方向。圖1所示的天線的相應(yīng)波束空間可以在圖2中找到。
在這種情況中，主波束的指向方向沿天線的法線。在可見空間外部(即單位圓外)的波束組成柵格瓣，只要波束沒有被掃描并且元件的間距沿兩個軸的方向都小于一個波長(λ/dx＞1和λ/dy＞1)，則它們不會出現(xiàn)在可見空間中。對于大的陣列，在矩形排列的柵格中輻射元件的數(shù)量由NR＝A/(dxdy)近似給定，其中A是天線孔徑的面積。
當(dāng)主波束沿x軸被掃描時，在波束空間中的所有波束在正方向移動的量等于表示為掃描(輻射)角的正弦表達(dá)式的函數(shù)。對于在x方向的一維掃描的每個水平行，我們可以將次級最大或柵格瓣表示如下Xm=sin(θs)+m·λdx,m=±1,±2,...]]>其中Xm是波瓣m的位置，θs是相對于陣列法線的掃描角，dx是在水平面內(nèi)元件之間的距離。當(dāng)波瓣之間的距離在此為λ/dx時，可知對于在可見區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生柵格瓣的掃描角，最大元件距離為dλ<11+sin(θmax)]]>在圖3所示的情況中，除主波束外第二波束(柵格瓣)進(jìn)入可見空間。這種情況可以通過減小沿x軸的元件間距來避免。當(dāng)元件間距小于半波長時(即λ/dx＞2)，因?yàn)閨sinθ|≤1，所以與掃描角無關(guān)，沒有柵格瓣進(jìn)入可見空間。
圖4示出了設(shè)置在等邊三角形柵格中的輻射元件。垂直元件間距定義為dy。圖5中示出了相應(yīng)的波束空間。沿y軸的元件間距必須不大于1/波長(即dy的最大值約為0.58波長，并且沿x軸2dx為一個波長[等于dy＝0.58·λ·＝λ])，以避免在任意掃描角下產(chǎn)生柵格瓣。因此，在輻射元件的等邊三角形柵格中，最佳元件間距dy為1/波長。對于大陣列，在等邊三角形排列的柵格中輻射元件的數(shù)量由NT＝A/(2dxdy)近似地給定。(仍參考上述E.D.Sharp)。假定相同的柵格瓣而不考慮掃描強(qiáng)度，與正方形柵格相比，采用等邊三角形柵格可以減小(NR-NT)/NR＝13％。(NT＝4A/λ2和NR＝2A/λ2。)然而，仍存在對于在陣列天線中輻射柵格進(jìn)行優(yōu)化的需要，以得到掃描稀疏天線陣列，其還提供在可見空間內(nèi)抑制柵格瓣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種稀疏陣列天線，其包括調(diào)諧到各自的發(fā)射和接收頻率的串聯(lián)饋送天線陣列列(形成輻射元件列的波導(dǎo)或者其它類型的傳輸線)。發(fā)射和接收輻射元件在每個發(fā)射輻射元件和每個接收輻射元件之間以等距離形成，以一個對稱線為中心從而形成對稱的交錯的發(fā)射/接收陣列。該接收陣列列在發(fā)射模式中將作為寄生元件(parasitic element)工作，該發(fā)射陣列列在接收模式中將作為寄生元件工作，由此減少柵格瓣進(jìn)入可見空間，特別是在掃描從瞄準(zhǔn)線方向偏離的主輻射波瓣時。通常，在發(fā)射陣列中的每個陣列列和在接收陣列中的每個陣列列之間的距離增加到大約一個波長(λ)的量級以形成稀疏陣列。


通過參考下面結(jié)合附圖的說明，可以更好地理解本發(fā)明及其其它目的和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1示出了輻射元件設(shè)置在矩形柵格上的天線；圖2示出了圖1示出的陣列的波束空間；圖3示出了當(dāng)主波束被沿x軸掃描時圖1所示的天線的波束空間；圖4示出了輻射元件在等邊三角形柵格上的天線；圖5示出了在可見空間沒有柵格瓣的等邊三角形柵格的波束空間；圖6示出了圍繞貫穿每個波導(dǎo)中心的直線對稱設(shè)置的用于TX和RX的一組波導(dǎo)；圖7示出了用于試驗(yàn)波導(dǎo)、RX-饋送、f＝5.671GHz的輻射模式；圖8示出了用于試驗(yàn)波導(dǎo)、RX-饋送、f＝5.671GHz和清除TX天線元件激勵的輻射模式；圖9示出了用于試驗(yàn)波導(dǎo)、TX-饋送、f＝5.538GHz的輻射模式；圖10示出了用于試驗(yàn)波導(dǎo)、TX-饋送、f＝5.538GHz和清除RX天線元件激勵的輻射模式；圖11示出了用于具有/不具有無源(passive)、交錯TX波導(dǎo)的四個RX波導(dǎo)、f＝5.671GHz、E平面、掃描＝0°的輻射模式；圖12示出了用于具有/不具有無源、交錯TX波導(dǎo)的四個RX波導(dǎo)、f＝5.671GHz、E平面、掃描＝10°的輻射模式；和圖13示出了用于具有/不具有無源、交錯TX波導(dǎo)的四個RX波導(dǎo)、f＝5.671GHz、E平面、掃描＝20°的輻射模式。
具體實(shí)施例方式
為了解釋本發(fā)明的原理，將描述2(RX)+2(TX)波導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然后，目?biāo)是論證交錯天線的性能以及相應(yīng)的模擬效果。將描述該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)。
試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行念l率選擇為fRX＝5.671GHzfTX＝5.538GHz縫隙長和縫隙的位移使用用于波導(dǎo)隙縫隙天線的分析程序來計(jì)算?？p隙長和位移設(shè)置為在每個頻率段函數(shù)中對于所有的縫隙相等。
改變和分析縫隙參數(shù)直到與每一波導(dǎo)的輸入阻抗相匹配。兩個未激勵波導(dǎo)也進(jìn)行計(jì)算。
最終的設(shè)計(jì)參數(shù)示出如下fRX＝5.671GHz(中心頻率)fTX＝5.538GHzλg_RX＝82.84mm(波導(dǎo)波長)λg_TX＝87.99mmdXRX＝λg_RX/2＝41.42mm(元件間距)dXTX＝λg_TX/2＝43.995mmdy＝51.26mm(在每一頻帶中的波導(dǎo)間距，對于RX和TX陣列都相等)NRX＝26(在每一波導(dǎo)中元件/縫隙的數(shù)量)NTX＝24(在每一波導(dǎo)中元件/縫隙的數(shù)量)縫隙寬W＝3.00mm。
這些縫隙數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)是針對等幅等相位饋送的有源(active)波導(dǎo)作出的。無源波導(dǎo)(“其它”頻段)在饋送口匹配。
表I中示出了所獲得的縫隙數(shù)據(jù)
表I波導(dǎo)縫隙數(shù)據(jù)

圖6示出了在解釋性的實(shí)施例中用于發(fā)射和接收的一組交錯的波導(dǎo)。在此，波導(dǎo)圍繞貫穿每一波導(dǎo)的延伸方向中心的直線對稱設(shè)置。每一波導(dǎo)還包括在每一縫隙發(fā)射波導(dǎo)中的許多縫隙n，每一縫接收波導(dǎo)可以具有n±x縫隙，其中x表示整數(shù)(例如0，1，2，3，...)。這種陣列通常借助有源T/R模塊進(jìn)行饋送，以減少模塊數(shù)量以及因此降低成本。
模擬在上述表格中已經(jīng)示出了中心頻率的模擬輸入阻抗。從這些模擬量中，也可以求出激勵(excitation)(“縫隙場(slot field)”振幅和相位)。這用于為兩主切面(cut)計(jì)算天線遠(yuǎn)端場，H平面和E平面?！安火佀汀辈▽?dǎo)終結(jié)于匹配負(fù)載。使用在有限地平面上模擬縫隙的天線元件模型。
圖7示出了當(dāng)RX波導(dǎo)使用等振幅和等相位饋送時的輻射模式。圖8中示出了相應(yīng)的情況，但是清除了TX激勵(設(shè)置為0)。可以觀察到對于兩個波導(dǎo)單獨(dú)用于RX，(圖7)由于波導(dǎo)距離接近1λ，柵格瓣將出現(xiàn)在E平面。如圖7所示，當(dāng)出現(xiàn)TX波導(dǎo)并且被附加激勵時，這些波瓣將被抑制。
圖9和圖10示出了當(dāng)TX波導(dǎo)使用等振幅和等相位饋送時相應(yīng)的情況。
四元件掃描陣列的模擬還進(jìn)行了4+4元件掃描陣列的模擬。計(jì)算了在RX中心頻率5.671Ghz對于E平面掃描角度為0°、10°和20°的輸入阻抗和輻射模式。對于使用和不使用無源(終結(jié)于匹配負(fù)載)、交錯的TX波導(dǎo)的情況均進(jìn)行了模擬。在圖11至圖13中示出了最終得到的輻射模式。波導(dǎo)參數(shù)與在上述表I示出的數(shù)據(jù)相同。
在根據(jù)本發(fā)明用于獲得稀疏陣列的結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)中，不活動的(inactive)波導(dǎo)，即在傳輸操作中接收波導(dǎo)，反之亦然，可以給定合適的相位，使得可以減少旁瓣電平。當(dāng)掃描陣列到輻射角度偏離瞄準(zhǔn)線時，同樣可以使用這種技術(shù)來獲得改善，并且在兩種情況中相對于標(biāo)準(zhǔn)情況陣列都會變得稀疏，因此，獲得了在有源電子掃描陣列(AESA)中具有更少有源模塊的更簡單和更廉價(jià)的天線。
在本發(fā)明結(jié)構(gòu)的更簡單方案中，例如對于特殊時刻，不活動的元件可以僅僅作為以合適方式終結(jié)的在有源元件之間交錯的虛擬元件(dummy element)。例如，然后可以使用設(shè)置在合適位置的合適的短路裝置或者匹配負(fù)載。
在這種稀疏天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施例中，這種想法還基于具有多對長串聯(lián)饋送傳輸線(不必是波導(dǎo))，其中許多輻射元件串聯(lián)連接，以及其中發(fā)射/接收對的輻射元件之間的距離分別對于發(fā)射輻射器和接收輻射器稍微有些差別。這意味著一對天線陣列列變成調(diào)諧到稍微不同的頻率并且因此在它們的端口之間耦合非常小的功率。這種串聯(lián)饋送天線列，因此例如從發(fā)射/接收有源模塊饋送。
在交錯的天線陣列的另一實(shí)施例中，各個串聯(lián)饋送天線列的每一輻射元件在各自頻帶內(nèi)窄窄地調(diào)諧，由此進(jìn)一步減少發(fā)射頻帶和接收頻帶之間的耦合。
在再一實(shí)施例中，僅僅一組串聯(lián)饋送列是有源地使用，而交錯組串聯(lián)饋送列中的剩余組通過合適的負(fù)載終結(jié)。使用公共的發(fā)射/接收頻率，這可以用于整個收發(fā)類型的操作。
可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離由所附的權(quán)利要求確定的其精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種稀疏陣列天線，其包括調(diào)諧到各自發(fā)射和接收頻率的串聯(lián)饋送天線陣列列，其特征在于發(fā)射和接收陣列列在每個發(fā)射輻射元件和每個接收輻射元件之間以給定距離形成，該串聯(lián)饋送天線列彼此平行排列，由此形成對稱的交錯的發(fā)射/接收陣列；接收陣列列在發(fā)射模式中作為寄生元件工作，發(fā)射陣列列在接收模式中作為寄生元件工作，由此減少柵格瓣的產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于在每個發(fā)射天線陣列列和每個接收天線陣列列之間的距離通常增加至一個波長(λ)的量級，由此獲得稀疏陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其特征在于串聯(lián)饋送陣列列被形成為調(diào)諧到各自發(fā)射和接收頻率的延伸脊形縫波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的天線，其特征在于當(dāng)在每一縫發(fā)射波導(dǎo)中具有n個縫隙時，每一縫接收波導(dǎo)中的縫隙數(shù)量通常是n±x，其中x表示整數(shù)(例如x＝0，1，2，3，...)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其特征在于串聯(lián)饋送陣列列被形成為包含輻射元件的延伸發(fā)射線，該陣列列被調(diào)諧到各自的發(fā)射和接收頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于該稀疏陣列天線設(shè)置成可掃描的，以便當(dāng)從偏離的瞄準(zhǔn)線方向掃描該主輻射瓣時還提供減少的進(jìn)入可見空間的旁瓣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其特征在于每一個串聯(lián)饋送天線列在各自的頻帶內(nèi)精細(xì)地調(diào)諧，由此減少在所使用的發(fā)射頻帶和接收頻帶之間的耦合。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的天線，其特征在于該串聯(lián)饋送天線陣列列連接到有源接收/發(fā)射(T/R)模塊并且從該有源接收/發(fā)射(T/R)模塊饋送。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其特征在于僅僅一組有源使用的串聯(lián)饋送列和另一交錯組的串聯(lián)饋送列通過形成稀疏陣列天線寄生列的合適負(fù)載終結(jié)。
全文摘要
公開了一種稀疏陣列天線。該天線包括調(diào)諧到各自發(fā)射和接收頻率的串聯(lián)饋送天線陣列列。該發(fā)射和接收輻射元件在每個發(fā)射輻射元件和每個接收輻射元件之間以給定距離形成，串聯(lián)饋送天線列彼此平行排列，垂直于形成對稱的交錯的發(fā)射/接收陣列的對稱線。而且，接收陣列列在發(fā)射模式中作為寄生元件(parasitic element)工作，發(fā)射陣列列在接收模式中作為寄生元件工作，由此減少柵格瓣的產(chǎn)生。本發(fā)明的稀疏陣列天線還可以設(shè)置成可掃描的，以便當(dāng)從偏離的瞄準(zhǔn)線方向掃描該主輻射瓣時還減少了進(jìn)入可見空間的旁瓣。通常，串聯(lián)饋送陣列列可以形成為調(diào)諧到各自發(fā)射或接收頻率的延伸脊形縫波導(dǎo)。
文檔編號H01Q21/00GK1879258SQ200380110745
公開日2006年12月13日 申請日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者B·斯文松, K·法爾克, U·恩斯特倫 申請人:艾利森電話股份有限公司